Evolução do Contrapeso

Uma história do componente muitas vezes esquecido e suas adaptações à tecnologia ao longo do tempo.

Por John Inglis

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Sumário

Este artigo revisará a evolução do contrapeso desde os primórdios, quando o homem buscava facilitar seu trabalho. Muitos projetos de contrapesos foram utilizados e adaptados para acompanhar as mudanças tecnológicas. O contrapeso tende a ser o componente esquecido no conjunto de elevação. Espera-se que este artigo possa informar e registrar essa evolução para as gerações futuras.

Os designs dos contrapesos foram variados para se adequarem às seguintes condições: 

• Melhorar a eficiência 
• Reduzir a carga do eixo da máquina 
• Reduza o consumo de energia 
• Reduzir a carga diferencial 
• Melhorar a precisão de parada 
• Reduza o tamanho das cordas na máquina.
• Reduzir problemas de tração
• Reduzir o impacto no fundo da mina
• Reduzir o buffering em altas velocidades 
• Melhorar a facilidade de manuseio
• Reduzir o tempo de instalação  
• Providencie um meio de ajustar o peso para adequá-lo ao carro finalizado. 

Arranjos típicos de guia para contrapesos

• Guia de fio fixada na parte superior e inferior do eixo 
• Caixa de madeira contendo um peso redondo ou quadrado 
• Madeira guia e madeira de suporte utilizadas em muitas instalações antigas e em unidades atuais em ambientes explosivos.  
• As sapatas guia redondas de aço, maciças ou tubulares, podem ser de metal ou plástico com revestimento metálico.  
• Aço em T com rolo metálico flangeado  
• Canal  
• Cantoneira de ferro com diversas disposições de roletes 
• Série de roletes ou blocos guia, fixados à parede do poço, que funcionam em conjunto com um trilho guia em cada lado do contrapeso. As unidades guia na parede do poço estão localizadas suficientemente próximas umas das outras para que haja sempre pelo menos dois conjuntos engatados em cada lado do contrapeso. 
• Trilhos em T de aço em diversos tamanhos e pesos; as sapatas guia são geralmente de metal ou de metal com inserções de plástico para elevadores de baixa velocidade e roletes para elevadores de alta velocidade.

Calçados como parte do peso total (parte superior e inferior)

Os primeiros contrapesos funcionavam com guias de madeira; a madeira utilizada como guia era resistente, como a madeira de sebo. Esse sistema permitia o uso de sapatas de guia muito rudimentares, como ranhuras nos contrapesos superior e inferior. Não havia ajuste das sapatas de guia. Mesmo nos primórdios dos trilhos-guia metálicos, o método de usar os contrapesos superior e inferior como guias fixos ainda era aplicado.

Calçados Guia Incorporando Quebra-Gelos

Os contrapesos em torres altas expostas a um ambiente muito frio precisavam ser equipados com "quebra-gelos" ou raspadores para manter os trilhos limpos.

Tipos de contrapeso

Peso em caso de colisão

Os esboços mostram um método muito antigo para reduzir o impacto no piso do poço em caso de falha da suspensão. Isso se aplicava a elevadores menores, onde o contrapeso ficava acima do espaço ocupado. Sua principal desvantagem era ser uma solução de "impacto único", que quebrava todos os contrapesos, os quais precisariam ser substituídos. A quebra dos contrapesos reduzia a inércia do sistema, diminuindo assim o impacto no piso do poço. O esboço à esquerda mostra a configuração normal, o da direita, a configuração padrão.-O esboço à mão mostra os pesos quebrados e a altura reduzida da pilha de enchimento. O projeto dos enchimentos teve que garantir que, sob condições normais de contato do contrapeso com o amortecedor, os enchimentos não quebrassem, mas que houvesse espaços entre eles para permitir o máximo aproveitamento do espaço ocupado pelos enchimentos quebrados, causando assim a máxima redução na pilha de enchimento.

Pesos do tipo vara

Esse tipo de construção com contrapesos foi muito popular nos primórdios dos elevadores de tambor e de tração. Foi utilizado por um período mais longo pelas empresas menores devido à sua flexibilidade e menor complexidade de fabricação. Os fabricantes maiores, com fábricas de estruturas metálicas, passaram a utilizar a estrutura com contrapesos, principalmente à medida que a velocidade dos elevadores aumentou.

Testando pesos e ancoragens de corda

Nos primórdios dos contrapesos tipo haste, diversos pesos superiores (às vezes chamados de pesos principais) eram fabricados em ferro fundido. Em muitos casos, esses pesos tinham o nome da empresa gravado neles, como mostra o desenho. 

Em uma palestra de engenharia ministrada em 1924, foi descrito um método para moldar orifícios em forma de cunha nesse contrapeso superior para ancoragem direta de cabos. Essa deve ter sido uma das primeiras aplicações de encaixes tipo cunha na indústria de elevadores. 

A introdução de ancoragem por cabos e contrapesos superiores também foi submetida a um teste de resistência das terminações dos cabos e das estruturas superior e inferior conectadas pelas hastes padrão a serem utilizadas. Um dos testes realizados em um elevador de passageiros suportou uma deformação de 30,000 kg. 

Peso emoldurado 

Após muitos países terem proibido o uso de contrapesos do tipo haste em elevadores de alta velocidade e em áreas sísmicas, o tipo de construção mais popular passou a ser o contrapeso em estrutura. Nos tempos anteriores à soldagem a arco, essas estruturas eram fabricadas com perfis de aço e chapas rebitadas. A montagem desses contrapesos em campo era muito mais fácil e segura para o operário do que a construção com hastes. O contrapeso do tipo haste apresentava grande dificuldade para carregar os materiais de enchimento nas hastes e manter a estabilidade da pilha parcialmente construída, que, diferentemente do contrapeso em estrutura, não possuía sapatas guia superiores até que o contrapeso superior fosse instalado.

Peso do tanque

Os contrapesos de tanque foram introduzidos como uma forma de reduzir custos; além disso, as peças fundidas eram difíceis de obter durante a Segunda Guerra Mundial. A descrição mais simples de um contrapeso de tanque é a de um contrapeso emoldurado, com cada lado revestido por uma placa de aço, formando uma caixa ou tanque. A ideia era preencher o tanque com aparas de metal; isso permitia ajustes de última hora no equilíbrio após a conclusão do revestimento dos vagões. Um grande problema surgiu nos estágios iniciais de aplicação: os tanques começaram a expandir em espessura devido à compactação das aparas causada pelas paradas bruscas do elevador e, principalmente, pelo contato com o amortecedor do contrapeso. Houve vários casos de arqueamento lateral do tanque e rompimento da solda. Esse efeito foi causado pela compactação do conteúdo a tal ponto que as laterais do tanque se deformaram. 

O aumento da espessura do tanque reduz a folga de funcionamento entre o tanque e a carruagem e, em alguns casos, entre o tanque e a parede do eixo. 

O tamanho do tanque precisava ser consideravelmente maior do que o dos contrapesos que utilizavam enchimentos de ferro fundido, pois a eficiência do preenchimento do espaço interno dependia do tamanho e da forma dos fragmentos de metal estampados. A ferrugem foi outro problema inesperado. A quantidade de ferrugem, ou a velocidade com que ela se desenvolvia, dependia do material estampado e do óleo/lubrificante de corte utilizado para aumentar a vida útil dos punções. 

Contrapesos de placa

A utilização de um contrapeso de peça única apresenta vantagens e desvantagens que devem ser consideradas antes de optar por esse tipo de construção. 

Vantagens dos pesos de placa

• Trata-se de uma unidade compacta que pode ser moldada em um formato adequado à aplicação, por exemplo, longa e fina, curta e grossa, ou com formato específico. 

• Pode ser utilizado em elevadores de modelos onde os pesos específicos do carro são conhecidos e o ajuste do peso não é necessário.

• Não se deforma em situações de terremoto como acontece com construções do tipo haste sob múltiplos pesos. 

Desvantagens dos pesos de laje

Não é fácil adicionar ou remover pesos, exceto na parte inferior do conjunto de contrapesos. É muito difícil de manusear e pode danificar facilmente batentes ou soleiras de portas ao ser inserido no poço.

Redução do consumo de energia

Durante o período de guerra na Austrália, muitos elevadores tiveram seus contrapesos reduzidos para o peso da cabine mais 40% da carga, em vez do peso da cabine mais 50%, que era a prática comum. Isso visava reduzir o consumo de energia, considerando que os elevadores raramente transportavam a carga máxima. Em alguns casos, isso não era possível devido à relação de tração entre a cabine e o contrapeso. 

Espaço livre para funcionamento do contrapeso

Há sempre a discussão sobre a quantidade de espaço disponível no poço do elevador; o cliente deseja o máximo de espaço alugável, e o instalador de elevadores exige folgas adequadas para a circulação. O espaço entre a cabina e o contrapeso pode ser de apenas 25 mm em muitos elevadores de baixa velocidade, mas, em elevadores de alta velocidade, esse espaço deve ser aumentado para reduzir o efeito de turbulência causado pela passagem do contrapeso e da cabina. Em alguns casos, uma folga de 100 mm, juntamente com um projeto de contrapeso com formato aerodinâmico, pode melhorar o fluxo de ar e reduzir a turbulência.

Comparação de peso para materiais de contrapeso 

Há muitos anos, as empresas utilizam diferentes materiais para compor a maior parte do peso de um conjunto de contrapeso. A escolha desses materiais baseia-se no preço, disponibilidade, custos de transporte e meios de ajuste do equilíbrio após a conclusão do interior da cabine. É necessário considerar os fatores acima e o espaço disponível, visto que materiais menos densos ocupam consideravelmente mais espaço para o mesmo peso. O material mais comum tem sido o ferro fundido; outros materiais utilizados incluem aço, chumbo, concreto e combinações destes. 

Linha múltipla de enchimentos

Para elevadores muito grandes, os contrapesos ficavam pesados ​​demais para serem manuseados; isso exigiu que as estruturas dos contrapesos fossem projetadas para suportar várias fileiras de pesos. Essa prática também permitiu que os fabricantes utilizassem seus pesos menores nas montagens com múltiplas fileiras, em vez de fabricar pesos grandes especiais que não eram usados ​​com frequência. 

Areia no tanque 

Houve casos em que os contrapesos foram preenchidos com areia para que o equilíbrio correto ou necessário pudesse ser alcançado. Essa prática teve curta duração devido a dois problemas principais: a areia vazava por pequenos orifícios e o peso da areia mudava devido à absorção de umidade ou ao ressecamento da areia. 

Contrapesos de bateria eletrônica 

Por que o contrapeso foi removido dos elevadores de tambor? Os principais acidentes associados a contrapesos e elevadores de tambor resultavam do ajuste incorreto ou da falha dos interruptores de limite, embora a maioria deles fizesse parte da máquina para garantir seu funcionamento correto. 

Em alguns casos, a máquina deu um sobre-enrolamento e puxou o contrapeso para dentro da sala de máquinas. A posição da viga da máquina pode impedir que o contrapeso seja puxado para dentro da sala de máquinas, mas, ao mesmo tempo, provoca uma parada abrupta do contrapeso. Essa parada repentina tem sido a causa de muitas rupturas de cabos ou falhas nas terminações, permitindo que o contrapeso caia em queda livre no poço. 

O travamento da cabine no poço durante a descida pode causar folga nos cabos, parando a máquina ao abrir o interruptor de folga. Essa situação não é infalível; houve casos de mecânicos de elevadores operando os controles manualmente, desenrolando o cabo do tambor e, em seguida, enrolando-o de volta no tambor na direção errada.

Antes da proibição dos contrapesos em elevadores acionados por tambor, dois contrapesos eram instalados nas mesmas guias. O contrapeso inferior sustentava a cabine, e os cabos passavam pelo contrapeso superior. O contrapeso superior era instalado por dois motivos: para reduzir a carga sobre o mecanismo do tambor e para evitar a necessidade de cabos maiores ou adicionais.

Os contrapesos de elevação simples falharam, permitindo que o contrapeso caísse livremente no fosso. Apesar de haver duas cordas entre a máquina e o contrapeso, a fixação era feita por meio de uma barra equalizadora que tinha apenas um ponto de conexão com o contrapeso.

Contrapesos saindo dos trilhos-guia

Existem vários motivos para os contrapesos se soltarem dos trilhos-guia; primeiro, terremotos podem aumentar a distância entre os trilhos-guia a tal ponto que as sapatas-guia se desencaixem. 

A separação do trilho guia pode ser causada por falha ou afrouxamento dos suportes do trilho, muitos dos quais possuem orifícios de fixação com ranhuras para ajuste durante a instalação. 

Em alguns casos, os suportes são independentes e a estrutura do edifício falha entre dois suportes no mesmo nível. 

Outro motivo para os contrapesos se soltarem dos trilhos-guia é a flambagem dos mesmos, causada pela proximidade excessiva dos trilhos com a parte inferior do piso da casa de máquinas, resultando em compressão e, consequentemente, em carga sobre a parte superior dos trilhos. Essa carga provocou a flambagem dos trilhos a tal ponto que a distância entre eles aumentou. 

O contato da sapata guia ou do rolete é muito importante, principalmente em trilhos de pequeno diâmetro. Na tentativa de manter uma folga adequada entre o suporte de segurança da sapata guia ou do rolete e as presilhas de fixação do trilho, alguns projetistas cometeram o erro de reduzir o contato com os trilhos guia menores. 

Durante terremotos, o contrapeso pode se soltar das guias; com um elevador em alta velocidade, isso pode ser um desastre grave. Para evitar esse problema, um detector de deslocamento, como o mostrado no esquema, para o elevador quando o anel sensor do contrapeso toca o fio sensor.

Dispositivo antirrebote com contrapeso

Nos últimos anos, tem havido muita preocupação com as forças desenvolvidas quando os equipamentos de segurança operam em elevadores de grande altura, causando um ressalto considerável do contrapeso. Os projetistas estão trabalhando atualmente para encontrar uma solução para esse grave problema, principalmente em instalações sem compensação de travamento. 

Amortecedores montados abaixo do contrapeso 

A adição de amortecedores de óleo na parte inferior dos contrapesos conferia peso adicional ao contrapeso; isso, por sua vez, reduzia o peso do material de enchimento a ser utilizado pelo peso do conjunto do amortecedor. A gravidade fazia com que o amortecedor retornasse à posição inicial assim que o contrapeso era movido para cima após a parada nos boxes.

Equipamentos de segurança em contrapesos

A adição de dispositivos de segurança aos contrapesos é frequentemente necessária para lidar com as seguintes emergências: evitar que os vagões desgovernados se desloquem e impedir a queda livre do contrapeso em caso de falha da suspensão. Dependendo da velocidade contratada, os dispositivos de segurança podem ser instantâneos, deslizantes ou do tipo colchão de óleo. 

O mecanismo de segurança com grampo de cunha em um contrapeso causa um grande problema em relação à reinicialização do equipamento após sua operação. Um método para contornar esse problema é ter um tambor de corda com uma corda saindo de cada lado; ou seja, uma corda na parte superior do tambor que puxa o mecanismo de segurança para os trilhos e a outra corda na parte inferior que se enrola simultaneamente no tambor. Para liberar o mecanismo de segurança, o mecânico pode entrar na vala e puxar a corda que se conecta à parte inferior do tambor. Isso desenrolará o mecanismo de segurança e, ao mesmo tempo, reiniciará a corda de acionamento superior. Essa configuração pode ser liberada se o sistema de suspensão falhar, mas se liberada completamente, o contrapeso descerá em velocidade excessiva, fazendo com que o regulador opere e reinicie o mecanismo de segurança. 

Equipamento de segurança duplex

O espaço disponível nos poços de elevador geralmente é limitado em planta, mas, na maioria dos casos, a altura não é tão restritiva. Para elevadores grandes que exigem a instalação de dispositivos de segurança no contrapeso, os dispositivos de segurança padrão podem ser muito grandes em termos de dimensões. É aí que entra o dispositivo de segurança duplex: uma estrutura de contrapeso com dois blocos de segurança em cada extremidade. Esse tipo de dispositivo de segurança é reiniciado ao mover a cabina para cima. Normalmente, os blocos do dispositivo de segurança têm a mesma capacidade, mas se forem usados ​​pares com capacidades diferentes, o de maior capacidade deve ser instalado na parte inferior da estrutura do contrapeso.

Alteração da relação de amarração do contrapeso para adequá-la às fundações do edifício. 

A fundação do edifício muitas vezes causou grandes problemas para o instalador de elevadores. Por exemplo, ao escavar um determinado fosso, foram encontradas grandes fundações que não podiam ser removidas. Essas obstruções estavam abaixo do caminho do contrapeso, reduzindo o percurso necessário. Ao amarrar o contrapeso com uma relação de 2:1 e deixar a cabina com uma relação de 1:1, o problema foi resolvido. 

Essa solução apresenta algumas desvantagens, visto que o contrapeso agora precisa ter o dobro do peso necessário anteriormente devido à relação de amarração de 2:1, mas percorre apenas metade da distância do carro. 

Fixação de corda ou corrente de compensação

Com o aumento da altura dos edifícios, a compensação por corrente foi substituída pela compensação por cabo. Isso exigiu a fixação de cabos de compensação ao contrapeso. Inicialmente, os cabos eram conectados à parte inferior do contrapeso, mas como isso exigia maior profundidade do fosso, passaram a ser conectados à face do contrapeso. Isso reduziu a profundidade do fosso, mas aumentou a distância entre a cabina e o contrapeso. Alguns fabricantes embutiram os pontos de fixação dos cabos de compensação na face frontal do contrapeso. Era necessário ter cuidado com a localização das sapatas-guia para minimizar as cargas sobre elas; dependendo da altura do edifício, a carga sobre as sapatas variava devido ao peso dos cabos de compensação; isso era parcialmente compensado aproximando-se a linha central da sapata da linha central do cabo e permitindo que o deslocamento do contrapeso fornecesse uma carga contrária.

Contrapesos para efeito arquitetônico

Na Austrália, existe uma aplicação em que há uma grande abertura de visualização no centro do contrapeso. Ao redor da parte interna da abertura, luzes são alimentadas por um conjunto de baterias localizado na parte inferior do contrapeso. Há dois contatos com mola no contrapeso para conexão a uma unidade de carregamento de baterias sempre que o elevador estaciona em um andar terminal. Devido ao grande espaço ocupado pela abertura de visualização, o perímetro do contrapeso é maior que o normal para fornecer o peso necessário para o equilíbrio.

Peso de tensão 

Os projetistas podem se deparar com situações em que a queda de um peso descontrolado pode ter efeitos devastadores. Um exemplo disso foi a localização de um poço de elevador diretamente acima da tubulação principal que abastecia uma cidade com água. Um segundo problema era a falta de espaço suficiente no poço para um contrapeso equipado com dispositivo de segurança. Foi utilizado um método de contrapeso tensionado, no qual o peso ficava fora da linha do poço, no patamar superior, e havia uma polia fixa no fosso.

Contrapesos em elevadores hidráulicos indiretos

A principal vantagem de um sistema de contrapeso como esse é reduzir a potência necessária para içar a cabine totalmente carregada. Deve-se ter cuidado para garantir que metade do peso, incluindo o pistão e a polia, não seja excessiva (para uma relação de 1:2). Uma estimativa aproximada é de 60% do peso da cabine vazia; caso contrário, a cabine vazia não descerá sozinha. 

Relação de estrangulamento para aplicações de serviço pesado

Máquinas com cabos nas proporções 2:1, 3:1 e 4:1 permitem o uso de máquinas menores, mas, à medida que a proporção aumenta, a vida útil do cabo é reduzida devido ao número de dobras reversas. 

A velocidade da polia da máquina pode ser muito alta quando se utiliza uma relação de 4:1 entre o contrapeso e o carro.

Motor linear e contrapeso

Os primeiros desenvolvimentos do sistema de acionamento por motor linear posicionavam o motor na cabine do elevador, o que aumentava a carga nos cabos e no eixo da máquina. Posteriormente, o motor foi adicionado ao contrapeso, reduzindo a carga nos cabos e na máquina. 

A versão mais recente incluiu inicialmente o freio no contrapeso e, em seguida, propôs que, como os cabos são agora tão confiáveis, o equipamento de segurança poderia ser dispensado na cabine do elevador, já que o freio no contrapeso poderia parar e manter o elevador em movimento. 

A situação geral com o motor linear integrado ao contrapeso é a seguinte: 

Vantagens do motor linear 

• Não é necessário nenhum elevador convencional. 
• Não é necessária casa de máquinas, apenas uma sala de polias no topo do eixo. 
• Sem polia de tração para não reduzir a vida útil da corda. 
• Redução da carga sobre o edifício devido à diminuição do peso total dos equipamentos. 
• O freio no contrapeso também pode ser usado em substituição ao equipamento de segurança. 
• Dentro de certos limites, quanto maior a elevação, mais rentável é o sistema. 
• Requisitos de altura reduzidos para o edifício podem permitir a instalação de um segundo andar no topo do poço sem infringir as restrições de altura da construção. 

Desvantagens do motor linear 

• Agora também são necessários cabos de sustentação para contrapeso, com capacidade de corrente para alimentar o motor linear. 
• Os requisitos de espaço para contrapesos aumentam. 
• Sem equipamentos de segurança no elevador, a queda livre do carro em caso de falha da suspensão não é evitada.
• O acesso ao motor linear não é fácil se algo falhar, por exemplo, se houver uma falha de energia ou um problema quando o contrapeso estiver no meio do eixo e o carro não puder ser movido para acessar o motor linear. 
• A eficiência do motor linear é baixa, mas deve melhorar com pesquisa e desenvolvimento. 
• O suporte do rotor do motor linear em elevadores de grande altura pode ser difícil.